(57)【要約】      （修正有）【課題】電動機を効率の高い条件で運転しつつ特定の電動機の寿命が短縮されるのを防ぎ、保守性を高めることのできる車両制御装置を提供する【解決手段】車両速度または電動機の回転速度、車両に必要な必要車両引張力、および稼働すべき複数の電動機の稼働台数の関係を記憶した稼働台数モデル記憶部３０と、稼働台数モデル記憶部を参照して車両の車両速度または電動機の回転速度と必要車両引張力とに対応した稼働すべき複数の電動機の稼働台数を算出する稼働台数決定部２０と、複数の電動機それぞれの温度上昇要因に対応する温度上昇評価指標を算出して管理する指標管理部５０と、稼働台数決定部が算出した稼働すべき複数の電動機の稼働台数、必要車両引張力および指標管理部が管理する複数の電動機それぞれの温度上昇評価指標に基づき、複数の電動機のうち稼働すべき電動機が発生すべき引張力を示す引張力指令情報を生成する引張力指令部４０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電動機を備えた車両を制御する制御装置であって、
車両速度または前記電動機の回転速度、前記車両に必要な必要車両引張力、および稼働すべき前記複数の電動機の稼働台数の関係を示す稼働台数モデルを記憶した稼働台数モデル記憶部と、
前記稼働台数モデル記憶部の前記稼働台数モデルを参照して前記車両の車両速度または前記電動機の回転速度と前記必要車両引張力とに対応した稼働すべき前記複数の電動機の稼働台数を算出する稼働台数決定部と、
前記複数の電動機それぞれの温度上昇要因に対応する温度上昇評価指標を算出して管理する指標管理部と、
前記稼働台数決定部が算出した稼働すべき前記複数の電動機の稼働台数、前記必要車両引張力および前記指標管理部が管理する前記複数の電動機それぞれの温度上昇評価指標に基づき、前記複数の電動機のうち稼働すべき電動機および該電動機が発生すべき引張力を示す引張力指令情報を生成する引張力指令部と
を具備する車両制御装置。
【請求項２】
前記指標管理部は、前記複数の電動機それぞれが発生した引張力と、前記車両の車両速度または前記電動機の回転速度とに基づいて前記複数の電動機それぞれの損失を求め、該損失を時間で積算することによって前記温度上昇評価指標を算出することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
【請求項３】
前記複数の電動機それぞれの電流値を取得する電流取得部をさらに備え、
前記指標管理部は、前記電流取得部が取得した電流値と前記車両速度または前記電動機の回転速度とに基づいて前記複数の電動機それぞれの損失を求め、該損失を時間で積算することによって前記温度上昇評価指標を算出することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
【請求項４】
前記複数の電動機それぞれの電流値を取得する電流取得部をさらに備え、
前記指標管理部は、前記電流取得部が取得した電流値に基づいて前記複数の電動機それぞれの損失を求め、該損失を時間で積算することによって前記温度上昇評価指標を算出することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
【請求項５】
前記複数の電動機それぞれの電流値を取得する電流取得部をさらに備え、
前記指標管理部は、前記電流取得部が取得した電流値の二乗値を時間で積算することによって前記温度上昇評価指標を算出することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
【請求項６】
前記電流取得部は、
前記複数の電動機それぞれの電流値を検出すること、または、
前記車両の車両速度または前記電動機の回転速度と前記複数の電動機それぞれの引張力とに基づき前記複数の電動機それぞれの電流値を推定すること
により前記電流値を取得することを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の車両制御装置。
【請求項７】
前記車両の車両速度または前記電動機の回転速度に基づいて前記複数の電動機それぞれの放熱量を算出する放熱量演算部をさらに備え、
前記指標管理部は、前記複数の電動機それぞれの損失を求めるとともに、該損失と前記放熱量との差を時間で積算することで前記損失量を算出することによって前記温度上昇評価指標を算出することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
【請求項８】
前記車両の車両速度または前記電動機の回転速度に基づいて前記複数の電動機それぞれの放熱量を算出する放熱量演算部をさらに備え、
前記指標管理部は、前記複数の電動機それぞれの損失を求めるとともに、該損失と前記放熱量との差に基づいて温度上昇を推定することによって前記温度上昇評価指標を算出することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
【請求項９】
前記複数の電動機は、それぞれ複数の車両に分散して配置され、
前記引張力指令部は、前記複数の車両を複数のブロックに分割し、該ブロックごとに稼働すべき電動機および該電動機が発生すべき引張力を示す引張指令情報を生成すること
を特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電動機で駆動される車両の速度を制御する車両制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の速度を所定の目標速度に保つ定速走行制御を行う場合に必要な引張力は、一般に、車両を加速しようとする場合に比べて小さい。したがって、定速走行制御時に、車両に備えられた全電動機を常に稼動させると、個々の電動機は、負荷が比較的小さい状態で運転されることになる。負荷状態に対する電動機の効率は、一般に、負荷が小さい領域において低いことが多いため、従来の定速走行制御では、電動機を効率の低い条件で運転する場合があった。
【０００３】
このような課題を解決するため、車両重量や必要加速度等に基づいて必要引張力を算出し、求めた必要引張力に応じて、個々の電動機の負荷が小さくならないように稼働台数や個々の電動機出力を決定する方法が開示されている（特許文献１）。しかし、特許文献１では、定速走行制御のように必要加速度が路線状況等に応じて時々刻々変化するような場合、どのように稼働台数を変化させて速度制御を行うかについては言及していない。
【０００４】
また、定速走行制御時の電動機の稼働台数を変更する方法として、実際の車両速度と目標速度の偏差および現在加速度に応じて稼働台数を増減させる方法が開示されている（特許文献２）。特許文献２では、稼働台数を決定した後、具体的に稼働させる電動機を決定する際は、各電動機に設定された優先順位を所定時間毎に、あるいはノッチ指令変更毎に変更することにより、特定の電動機のみに負荷がかかって寿命が短くなるのを防ぐ方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３０８００４号公報
【特許文献２】特開２００７−３２５３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電動機の寿命は、内部での発熱に起因する温度上昇の影響を受ける。個々の電動機の寿命を均等化するためには、発熱量を均等にする必要があり、特許文献２では、個々の電動機の稼働時間を均等化することにより、発熱量の均等化を図っている。しかしながら、単位時間当たりの発熱量は、実際は電動機の運転状況によって異なり、例えば、電動機の出力が大きく、損失が大きい条件では発熱量が大きくなる。従って、稼働時間の均等化だけでは発熱量の均等化が図れない場合がある。
【０００７】
本発明の実施形態はかかる問題を解決するためになされたもので、電動機を効率の高い条件で運転しつつ特定の電動機の寿命が短縮されるのを防ぎ、保守性を高めることのできる車両制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の車両制御装置は、複数の電動機を備えた車両を制御する制御装置であって、車両速度または電動機の回転速度、車両に必要な必要車両引張力、および稼働すべき複数の電動機の稼働台数の関係を示す稼働台数モデルを記憶した稼働台数モデル記憶部と、稼働台数モデル記憶部の稼働台数モデルを参照して車両の車両速度または電動機の回転速度と必要車両引張力とに対応した稼働すべき複数の電動機の稼働台数を算出する稼働台数決定部とを備えている。そして、この車両制御装置は、複数の電動機それぞれの温度上昇要因に対応する温度上昇評価指標を算出して管理する指標管理部と、稼働台数決定部が算出した稼働すべき複数の電動機の稼働台数、必要車両引張力および指標管理部が管理する複数の電動機それぞれの温度上昇評価指標に基づき、複数の電動機のうち稼働すべき電動機および該電動機が発生すべき引張力を示す引張力指令情報を生成する引張力指令部とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の車両制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】複数の電動機を備えた車両における、ある速度領域の車両引張力と効率の関係を電動機稼働台数ごとに示す図である。
【図３】電動機損失推定モデルを説明する概念図である。
【図４】車両編成と稼働する電動機の配置について説明する図である。
【図５】車両編成と稼働する電動機の配置について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施形態の構成）
以下、図面を参照して実施形態の車両制御装置について詳細に説明する。図１は、実施形態の車両制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施形態の車両制御装置１は、編成引張力決定部１０と、稼働台数決定部２０と、稼働台数モデル記憶部３０と、引張力指令部４０と、指標管理部５０と、損失推定モデル記憶部６０と、電動機制御部７０と、車両全体の車重情報などを保持する列車情報記憶部８０とを備えている。
【００１１】
編成引張力決定部１０は、速度検出センサ１４により取得した車両速度と、目標速度設定部１２により設定した定速走行制御の目標速度とを比較し、車両速度が目標速度の近傍となるのに必要な車両全体の引張力を決定する演算部である。ここで、目標速度設定部１２は、予め設定された目標速度を保持するメモリを有しており、編成引張力決定部１０は、随時当該目標速度を参照することができる。速度検出センサ１４は、例えば車両の車軸の回転数などから算出された列車の速度情報を出力する。すなわち、編成引張力決定部１０は、目標速度と現在速度とを比較し列車情報記憶部８０の列車情報を用いることで、増やすべきまたは減らすべき車両全体の引張力を算出することができる。
【００１２】
例えば、編成引張力決定部１０は、現時点での全車両に対する引張力指令を維持した場合における所定時間経過後の車両速度を、車両前方の勾配状況等を加味して予測する。そして、予測された車両速度が目標速度の近傍であれば現時点での引張力を維持させ、予測された車両速度が許容範囲を超えて目標速度を下まわる場合は、引張力を増加させ、予測された車両速度が許容範囲を超えて目標速度を上まわる場合は、引張力を減少させる必要引張力情報を生成する。
【００１３】
稼動台数決定部２０は、編成引張力決定部１０が生成した必要引張力情報と速度検出センサ１４が出力する現在の車両速度とに基づいて、電動機の稼働台数を算出する演算部である。一編成の列車に複数の電動機を備える場合、小さい引張力しか要しない条件下で全ての電動機を稼働させると、個々の電動機が負荷の小さい状態で運転されるので全体の効率が低下してしまう。稼働台数決定部２０は、車両速度と編成引張力決定部１０が生成した必要引張力情報とに基づいて、効率が最大となる電動機の稼働台数を算出する。
【００１４】
ここで、図２を参照して、ある速度領域における電動機の数と効率との関係について説明する。図２は、全ての電動機を稼働させた場合の効率特性ａ、全体の７割の電動機を稼働させた場合の効率特性ｂ、および全体の４割の電動機を稼働させた場合の効率特性ｃの例を示している。
【００１５】
図２に示すように、編成全体で必要な引張力がＦｂ以上の領域Ａでは、全ての電動機を稼動させた場合が最も効率が高いことがわかる。また、編成全体で必要な引張力がＦａからＦｂまでの領域Ｂでは、全電動機の７割の電動機を稼働させた場合が最も効率が高い。同様に、編成全体で必要な引張力がＦａ以下の領域Ｃでは、全電動機の４割を稼動させる場合が最も効率が高い。
【００１６】
実施形態の車両制御装置１では、稼働台数モデル記憶部３０に例えば効率特性ａ〜ｃのようなデータや数式、または、引張力範囲の境界値（図２のＦａ、Ｆｂ等）と当該引張力範囲で選択する稼働台数の組合せ情報を電動機稼動台数決定モデルとして格納している。稼働台数決定部２０は、編成引張力決定部１０が生成した必要引張力情報と速度情報とを用いて稼働台数モデル記憶部３０を参照し、最も効率の高くなる電動機の稼働台数を決定する。
【００１７】
指標管理部５０は、各電動機が負担した引張力と車両速度または電動機の回転速度に基づいて、各電動機の損失を推定し、損失を時間で積算することにより温度上昇評価指標を算出する。電動機の損失に応じた発熱により温度上昇が生じるため、損失を基準として温度上昇の度合いを評価する。実施形態の車両制御装置１では、必要な車両引張力に応じて稼働させる電動機の数を変更する。全台数を常時稼働する場合とは異なり、稼働している電動機と停止している電動機で稼働時間や発熱量に差異が生じるため、メンテナンス時期がばらついてしまう可能性がある。そこで、指標管理部５０は、各電動機にかかる負担として、温度上昇評価指標を算出し、各電動機の損失量を管理する。
【００１８】
ここで、図３を参照して、指標管理部５０が推定する損失について説明する。図３は、電動機が発生した引張力および速度をパラメータとして当該電動機で発生する損失を示す損失特性（電動機損失推定モデル）の一例である。
【００１９】
電動機損失推定モデルは、例えば、様々な引張力と車両速度または電動機の回転速度に応じて電動機で発生する損失を測定し、その特性を数式化したものである。電動機損失推定モデルは、入力パラメータとして当該電動機が負担した引張力と車両速度または電動機の回転速度とを与えることで、当該電動機の損失を得ることができる。図３はこのモデルをグラフ化したものである。
【００２０】
電動機損失推定モデルは、パラメータを引張力と速度ではなく、電動機電流と速度として整理し、電動機電流と車両速度または電動機の回転速度とを入力することで電動機損失の出力を得るように構成してもよい。電動機損失のうち銅損を電流値の関数として表し、鉄損等を速度の関数として表し、両者を結合して得ることもできる。電動機損失推定モデルに入力する電動機電流は実測してもよいし、電動機の設計データに基づき引張力と速度から推定してもよい。損失推定モデル記憶部６０は、かかる電動機損失推定モデルを格納している。
【００２１】
指標管理部５０は、例えば、後述する引張力指令部４０で決定した各電動機の引張力指令から各電動機が負担した引張力を得ることができる。また、指標管理部５０は、速度検出センサ１４から車両速度を得ることができ、電動機がもつ速度センサから電動機の回転速度を得ることができる。これらは、各電動機の損失を推定するためのパラメータとなる。
【００２２】
指標管理部５０は、所定の周期（例えば１００ｍｓ）毎に損失推定モデル記憶部６０の電動機損失推定モデルを参照して当該電動機の損失を求め、当該損失を時間で積算して温度上昇評価指標を算出する。具体的には、指標管理部５０は、損失の値と算出周期の積を毎周期足し合わせていくことにより損失量を演算する。すなわち、指標管理部５０は、各電動機の相対的な稼働状況を管理している。ここで、電動機の損失は、当該電動機に入力されたエネルギーのうち熱となって失われる分であり、これは発熱量に相当する。これにより、個々の電動機の発熱量の相違を評価することができる。なお、電動機損失の主要因の一つである銅損は、電動機の電流値の２乗に比例するため、簡易的には、電動機電流を実測あるいは推定し、その２乗値を時間で積算することによって温度上昇要因を評価するようにしてもよい。
【００２３】
ところで、電動機の寿命に影響する温度上昇は、電動機の発熱量だけでなく、電動機からの放熱量によっても異なる。そこで、損失推定モデル記憶部６０にさらに放熱量を演算するための放熱量推定モデルを有する放熱量演算部を追加し、電動機損失推定モデルによって求めた発熱量と放熱量推定モデルによって求めた放熱量の差を時間で積算することによって温度上昇評価指標を求めてもよい。放熱量推定モデルは、例えば、電動機の軸に取り付けられたファンにより冷却を行っている場合、電動機の温度と車両速度（電動機の回転数）に応じた放熱量をシミュレーションすることなどにより求め、その特性を数式化したものである。入力パラメータとして当該電動機の温度と車両速度（電動機の回転数）を与えることにより、当該電動機の放熱量を求めることができる。
【００２４】
放熱量推定モデルを用いるのは、正確な温度上昇値を求めるためではなく、温度負荷条件を各電動機で均等化するためであるので、速度に関するおおよその放熱特性が求められればよい。そこで、放熱量推定モデルの入力パラメータとして電動機の温度が得られない場合は、定格運転時等所定の条件を仮定した条件下での飽和温度を入力パラメータとしてもよい。あるいは、電動機の熱容量をシミュレーションまたは実測により予め推定しておき、発熱量と放熱量の差を熱容量で割ることにより温度上昇を求め、温度上昇値を時間で積算したものを温度上昇評価指標としてもよい。
【００２５】
損失量や温度上昇要因の評価値の積算は、当該車両の運用開始時、車両制御装置の電源投入時、手動リセット時等において開始されるが、積算開始時は全ての電動機の評価値が同一となる。また、ある時点において評価値が同一の複数の電動機が存在する場合があるので、同一の評価値の場合の優先順位の規則（通し番号の若い順に選択する等）を設定しておくことが望ましい。
【００２６】
引張力指令部４０は、稼働台数決定部２０が算出した必要な電動機の稼働台数、編成引張力決定部１０が演算した必要な引張力、および指標管理部５０が算出した各電動機の損失量（温度上昇評価指標）に基づき、実際に稼動させる電動機を決定するとともに、稼動させる電動機それぞれが負担する引張力を決定する。稼動させる電動機は、温度上昇評価指標の小さいものから順に、稼動台数決定部２０が決定した稼動台数まで選択する。
【００２７】
複数の電動車で構成される編成車両の場合、編成内での損失量の偏りを抑制するため、編成車両全体を複数のブロックに分割し、それぞれのブロック内で、稼動させる電動機を温度上昇評価指標の小さいものから順に選択する。例えば、編成車両の前側と後側の２つのブロックに等分割し、全台数の半分を稼動させる場合は、編成の前側のブロック内で温度上昇評価指標の小さいものから順に、当該ブロック台数の半分を選択し、編成の後側のブロック内で温度上昇評価指標の小さいものから順に、当該ブロックの台数の半分を選択する。
【００２８】
図４は、全１６台（または１６車両）のうちから８台（または８車両）を選択した例、図５は、全１６台（または１６車両）を前後で２つのブロックに分割し、前側の８台（または８車両）のうちから４台（または４車両）を、後側の８台（または８車両）のうちから４台（または４車両）を選択した様子を示している。分割数は、全台数および稼働台数切替の状況に応じて適切な数を選択することができる。このとき、分割数は、稼働台数に応じて動的に切り替えてもよい。
【００２９】
引張力指令部４０は、車両引張力を稼働台数で均等割するか、列車情報記憶部８０の列車情報から各電動機の軸重を参照し稼動させる電動機の軸重に応じて比例配分する等により電動機ごとの引張力を算出する。
【００３０】
（実施形態の動作）
続いて、図１を参照して、実施形態の列車制御システムの動作を説明する。
【００３１】
列車の走行維持速度が与えられると、目標速度設定部１２は、目標速度情報を保持する。一方、速度検出センサ１４は、列車の現時点の速度を検出して編成引張力決定部１０に与える。編成引張力決定部１０は、目標速度設定部１２が保持した目標速度、速度検出センサ１４が与える速度情報、列車情報記憶部８０が予め記憶した当該列車の全編成の車重情報などに基づいて、目標速度に達するために必要な必要引張力情報を算出する。
【００３２】
稼働台数決定部２０は、編成引張力決定部１０が生成した必要引張力情報、速度検出センサ１４が検出した速度情報、列車情報記憶部８０が記憶した車両編成と電動機の数に関する情報などを用いて、稼働台数モデル記憶部３０の電動機稼働台数決定モデルを参照することで、電動機稼働台数を決定する。
【００３３】
一方、指標管理部５０は、各電動機が負担した引張力、車両速度または電動機の回転速度などを用いて、損失推定モデル記憶部６０の電動機損失推定モデルに当てはめることで、温度上昇評価指標を算出する。温度上昇評価指標は、例えば各電動機損失の積算値（損失量）である。
【００３４】
続いて、引張力指令部４０は、稼働台数決定部２０が算出した電動機稼働台数、編成引張力決定部１０が生成した必要引張力情報、指標管理部５０が生成した温度上昇評価指標を用いて、列車が備える各電動機のうちどの電動機にどれだけの引張力を生じさせるかを算出して電動機引張力指令情報を生成する。引張力指令部４０が生成する電動機引張力指令情報は、各電動機を制御する電動機制御部７０に与えられ、各電動機制御部７０は、対応する電動機を電動機引張力指令情報に応じて駆動させる。
【００３５】
このように、実施形態の列車制御システムによれば、車両全体での必要引張力情報と列車速度に応じて電動機の稼動台数を調整し、温度上昇評価指標が小さい電動機を優先して稼動するので、電動機の稼動台数の調整により効率の高い領域で電動機を運転しつつ、各電動機の発熱量を均等化し、特定の電動機の寿命が短縮されるのを防ぐことができる。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３７】
１…列車制御システム、１０…編成引張力決定部、２０…稼働台数決定部、３０…稼働台数モデル記憶部、４０…引張力指令部、５０…指標管理部、６０…損失推定モデル記憶部、７０…電動機制御器、８０…列車情報記憶部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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